基于FPGA+DSP架构的图像目标跟踪器研制

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随着机载光电吊舱在对地面以及海面探测技术的发展及其在军民领域的广泛应用。使用光电吊舱对敏感目标进行自动定位跟踪的需求也越来越高。通过机载光电吊舱上搭载的图像目标跟踪器可以对感兴趣目标进行自动跟踪,辅助飞机的飞行瞄准与导航。因此研制机载图像目标跟踪器设备具有重要的意义。由于在机载系统中,各项计算资源是受限,但随着获取图片的传感器精度和速度的提升,采集到的图像数据量也在不断地提升。给要求对图像进行实时处理的机载系统带来处理性能方面的压力。为此,本课题在对图像跟踪算法进行研究的基础上,选择快速高效的跟踪算法,并针对机载光电吊舱的接口要求研制了基于DSP+FPGA架构的图像目标跟踪器。  首先,对于课题中图像目标跟踪器的相关需求进行分析,给出系统所需满足的技术指标。在对系统技术指标进行分析和对硬件进行比较选型的基础上,设计了基于DSP+FPGA架构的图像目标跟踪器的整体方案。其中FPGA主要负责的是图像的采集、传输、与显示接口的实现。根据DSP的硬件结构特点设计了多核协同框架,DSP基于多核协同框架对内部的数据进行处理操作。该框架基于数据流模式进行处理器内部的核间数据交互,采用了高速传输接口SRIO与FPGA之间进行通信。这样既保证了DSP处理器内部计算处理的高效特性,又能满足图像数据的快速实时传输。根据图像跟踪器可能遇到的跟踪场景和算法运行的性能,选择KCF目标跟踪算法作为图像目标跟踪器的核心处理算法,相比于其他算法,该算法能够快速实时地对图像进行处理,且在机载光电吊舱可能遇到的目标出现短暂遮挡、产生运动模糊、发生旋转等实际的跟踪难点时,KCF目标跟踪算法的有着较好的处理鲁棒性。  其次,根据系统的设计方案,在硬件板卡上完成图像目标跟踪器的实现。主要包括了FPGA读采集图像时所需的标准接口CameraLink协议模块、FPGA与DSP的数据交互传输模块、FPGA对图像进行显示的标准接口HDMI模块、针对DSP运行的多核协同框架和DSP对图像跟踪算法进行实现与优化的算法模块。本文所研制的图像目标跟踪器,其输入输出的接口模块均为标准的协议接口,可以作为机载光电吊舱系统的一个组件,直接进行相关的匹配和安装。多核DSP的算法模块能够对加载光电吊舱所获取的高清视频进行实时性的处理。且该目标跟踪器的功耗在10w之内,具有良好的适应性。  最后,对图像目标跟踪器进行功能和系统处理性能两方面的测试,针对机载光电吊舱系统中,图像跟踪器所面临的跟踪问题进行了全面地测试。测试的结果表明,本课题研制的图像目标跟踪器可以对前视摄像机所获取的图像进行实时处理。针对机载光电吊舱可能面临的目标被短暂遮挡、背景杂波、目标图像产生运动模糊和跟踪时目标发生旋转的问题,本文研制的图像目标跟踪器对其具有鲁棒性,满足实际运用的需求。
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